一种高强度高韧性低温海工钢板及其制造方法

【技术领域】

本发明属于钢铁材料制备领域，特别涉及到一种高强度高韧性低温海工钢板的成分设计及其制造方法。

【背景技术】

21世纪是海洋的世纪，随着科技的发展、人民生活水平的提高，世界各国都将目光聚焦在海洋中蕴藏的巨大资源上。近年来海工装备产业持续快速发展促进了海工用钢的大量需求和产品的升级换代，市场迫切需要综合性能良好的高强度特厚超低温韧性海工钢板。

随着常规可开采油气能源逐渐枯竭，北极地区丰富的能源储量受到越来越多关注。美国地质勘探局完成的调查显示北极圈内石油、天然气和液化天然气储量分别达到900亿桶、47万亿立方米和440亿桶，约占全世界未探明能源总量的22％。同时，全球温室效应使北极升温加剧，海冰覆盖面积持续快速减少，越来越有利于资源开发与船舶航行。近年来俄罗斯和北欧国家明显加快了北极的油气勘探与开发。北极地区能源和贸易航线潜力受到越来越多关注，促进了大型高技术极地海工装备的需求与发展，对满足极地服役条件的极地船舶海工用-80℃超低温钢提出了更高的要求，具有优异低温韧性和易焊接性的高强度级别极地低温海工钢是发展趋势。

海洋工程平台服役环境恶劣，除常规受力外，还要考虑大风、浪涌、潮汐、冰块撞击、地震等多种因素影响，这就决定了海洋平台用钢的特殊性，在平台建造的选材方面必须能适应各种海况条件。同时，钢板长期处于潮湿、高盐度的海洋环境中，受到潮湿空气、海水、海洋生物附着而造成漆膜脱落、钢板表面腐蚀、腐蚀疲劳等问题，降低钢板的力学性能，缩短使用寿命，严重影响海洋工程平台的正常使用。另外，海洋平台远离海岸，不能像船舶那样定期进坞维修、保养。为了能够让海洋工程平台能够在极地等极寒复杂环境下安全使用，急需开发出一种综合性能优良的高品质海洋工程用超高强钢，这种海洋工程用高强钢板需要具有在低温环境下高强度和超低温韧性等优点。

目前，海洋工程用钢已能满足海工领域市场的大部分需求，但韧脆转变温度低于-80℃、最大厚度60mm且综合性能优良的特殊钢材仍是世界各国的发展的目标，高服役安全性的高强钢板其科研问题难度高，生产工艺严格，对设备要求高，开发难度大。公开号为CN102586683B的专利《Ni系低温钢及制造方法、液化天然气储罐和运输船用船体》提出了一种Ni系低温钢板，该发明采用高Ni高Cu成分体系，冲击韧性得到了提升，只能生产薄规格厚度钢板。公开号为CN111373066A的专利《超低温钢及其制造方法》提出了一种超低温钢，采用只添加高Ni的合金成分设计，只能生产10-45mm钢板，随着钢板厚度增加，该成分工艺无法保证钢板强韧性。

【发明内容】

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种适用于海洋工程领域的高强度高韧性低温海工钢板，其力学性能、高服役安全性能可以达到极地-80℃海洋工程设备服役条件，-80℃冲击功≥70J。

本发明目的是这样实现的：

一种高强度高韧性低温海工钢板，按重量百分比计，包括以下组分：C:0.085％-0.13％，Si:0.16％-0.4％，Mn:0.8％-1.4％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als：0.02％-0.04％，Ni：3.2％-4.5％，Cr:0.3％-0.7％，Mo:0.3％-0.6％，Cu:0.4％-0.7％，Nb:0.01％-0.04％，V:0.1％-0.25％，N:0.003％-0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，所述钢板的屈服强度≥690MPa，抗拉强度770-940MPa，延伸率≥16％，-80℃夏比冲击功≥70J；

进一步地，所述钢板厚度≤60mm；

进一步地，所述钢板组织为铁素体和粒状贝氏体，所述铁素体的体积含量≤10％。

本发明成分设计理由如下：

1)C作为钢中基本的强化元素，在本发明方案中是保证强度、硬度的主要元素，C含量过高将产生大量淬硬组织，影响低温冲击韧性和焊接性能。C含量过低是会导致钢板强度下降。C含量为0.085％-0.13％。

2)Si可提高钢板的强度，同时Si作为脱氧剂可减少O含量，但是本发明采用Al脱氧，可以降低Si元素含量，Si含量低于0.4％时可以避免钢板低温韧性降低，本发明Si含量为0.16％-0.4％。

3)Mn元素与Fe元素的原子半径相似，可大量固溶于Fe基体中，提高钢板强度。同时Mn元素扩大奥氏体相区，可以细化钢板晶粒组织，改善钢板低温冲击韧性，适当提高Mn元素可以与Ni元素共同作用，进一步降低钢板韧脆转变温度；当Mn元素质量百分含量大于1.4％时，Mn元素的偏析又会使得厚板芯部的低温韧性较差，Mn含量为0.8％-1.4％。

4)P、S元素对钢板的力学性能特别是延伸率没有益处，应控制P≤0.02％，S≤0.01％。

5)Al是钢中主要的脱氧元素，当Al含量过低时脱氧效果不佳，Ti等微合金元素因被氧化无法起到细化晶粒的目的，厚度较大的超高强度钢板需要适当提高钢中Als含量；相反Al元素过高则形成大型夹杂物，Als含量0.02％-0.04％。

6)Ni元素可以大幅度改善钢板韧性和热加工性。大量加入可以获得较低的韧脆转变温度，同时Ni元素的加入可以改善Cu元素在钢中的热裂倾向，与V、Nb等微合金强度作用共同作用，可以进一步提高钢板强韧性。Ni含量为3.2％-4.5％。

7)Cr元素在钢中可以有效的提高钢板强度，降低钢板屈强比，适当加入Cr元素可以提高钢板控冷效果；但是Cr含量过高会产生大量Cr的碳化物，降低钢板冲击韧性，Cr含量为0.3％-0.7％。

8)Mo元素可以提高钢板的淬透性，同时Mo元素在钢中可以形成细小碳化物，能有效提高钢板强度，基于本发明合金体系，低于0.6％的Mo元素不会显著降低低温韧性，Mo含量为0.3％-0.6％。

9)Cu元素可以提高钢板强度，与Ni、Cr元素共同作用，可以提高钢板的低温韧性；但Cu含量加入过高会显著降低钢板韧性，提高钢板高温热裂性。Cu含量为0.4％-0.7％。

10)Nb元素的微量加入可以显著提高钢板强韧性，细化晶粒、降低钢板的过热敏感性和回火脆性，特别适合在本发明合金体系加入，配合低温控制轧制和回火热处理，可以进一步提高钢板-80℃冲击韧性，Nb元素含量为0.01％-0.04％。

11)V元素是本发明钢板钢板中重要的合金元素，V元素可以细化组织晶粒，提高钢板的强韧性。V元素与C、N在基体中形成V(C,N)粒子，可以起到细化、强化晶粒的作用。回火处理钢板中加入V元素可显著提高钢板强韧性和延伸率。V元素过高将导致钢板表面质量降低，钢板表面下方出现细小裂纹，钢板韧性降低，焊接性能下降。V含量为0.1％-0.25％。

12)N元素可以与Nb、V元素配合，形成细小弥散的N化物析出相，可以有效促进晶内铁素体形核长大，有效控制原始奥氏体晶粒长大。但是当固溶N含量过大时，钢材的热塑性下降，钢板韧性下降，钢板表面易出现大量微裂纹。因此，N含量为0.003％-0.006％。

本发明技术方案之二是提供一种高强度高韧性低温海工钢板的制造方法，包括冶炼、浇铸、低温加热、控制轧制、控制冷却、低温回火。

冶炼：将钢水通过转炉、LF炉、RH炉(或VD炉)进行精炼，进一步降低P、S和非金属夹杂物含量。

浇铸：中包钢水过热度20-30℃。模铸或连铸，连铸坯拉坯速率≤1.0m/min，钢坯下线缓冷≥72h。

低温加热：

将铸坯在炉温500-700℃装入加热炉，目的是使钢坯在低温阶段保持厚度方向温度一致，为高温段组织均匀做好准备。铸坯在后续升温过程中升温速率控制在3.5-5℃/min，避免钢坯受热过快导致钢坯内部受热不均。均热温度1230-1280℃保温60-120min，低温均热保温的目的是在保证C/N化物充分溶解的同时，避免铸态组织异常长大。

控制轧制：

粗轧阶段开轧温度为1050-1150℃，粗轧阶段平均道次压下率为8-12％，粗轧阶段累计压下率为40-55％。粗轧阶段要求平均道次压下率和累计压下率的目的是在变形抗力较低的阶段尽量增大单道次轧制压下率，改善板坯铸态组织。

精轧阶段开轧温度为900-1000℃，精轧阶段最后三道次平均压下率为5-10％，终轧温度为800-900℃。最后三道次轧制工艺设计的目的是利用表面温度下降较多，增加钢板芯部变形量，改善钢板芯部晶粒尺寸，促进奥氏体晶粒扁平化、细小化。由于铁素体在奥氏体晶界上形核，增加奥氏体晶界面积可以达到晶粒细化的效果，临近终轧温度时最后三道次的单道次压下率对晶粒细化最为重要。通过在临界温度区间对奥氏体进行再结晶轧制和驰豫，可细化奥氏体组织，为最终组织细化做准备。

控制冷却：

入水温度为720-800℃，返红温度为400-500℃，弛豫时间1.5-5min，采用弛豫和控制冷却的工艺可以获得组织为粒状贝氏体和体积含量≤10％铁素体的钢板。

低温回火：

回火温度为400-500℃，回火保温时间100-260min。回火可以在调整基体组织的同时调整析出第二相的质量，降低钢板强度和硬度的同时，韧塑性得到提高，400-500℃的回火可以使回火转变产物尽可能的转变。

按上述方案生产的一种高强度高韧性低温海工钢板具有以下有益效果：

1.结合C、Mn、Ni、Cr、Mo、Cu、V、Nb元素相配合成分设计和大厚度超高强度低温韧性海工钢板关键生产技术，可以生产最大厚度60mm的超高强度海工钢。

2.本发明创新的合金成分体系可以保证调质处理后钢板的屈服强度≥690MPa，抗拉强度770-940MPa，延伸率≥16％，-80℃夏比冲击功≥70J。

【附图说明】

图1为本发明实施例1的显微组织图。

【具体实施方式】

针对-80℃极寒海洋环境对高强海工钢的成分性能要求，利用C、Mn、Ni、Cr、Cu、Mo与大量Nb、V元素相配合的成分设计和耐极寒环境海工钢板关键生产技术，为实现本发明目的，发明人通过合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、高效轧制工艺优化与参数选择等几个方面进行了大量系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及轧制热处理工艺。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、浇铸、低温加热、控制轧制、控制冷却、低温回火。

低温加热：将铸坯在炉温500-700℃装入加热炉，升温速率控制在3.5-5℃/min，均热温度1230-1280℃保温60-120min。

控制轧制：粗轧阶段开轧温度为1050-1150℃，粗轧阶段平均道次压下率为8-12％，粗轧阶段累计压下率为40-55％。精轧阶段开轧温度为900-1000℃，精轧阶段最后三道次平均压下率为5-10％，终轧温度为800-900℃。

控制冷却：入水温度为720-800℃，返红温度为400-500℃，弛豫时间1.5-5min，采用弛豫和控制冷却的工艺获得组织为粒状贝氏体和体积含量≤10％的铁素体的钢板。

低温回火：回火温度为400-500℃，回火保温时间100-260min。

进一步地，所述浇铸为模铸或连铸，中包钢水过热度20-30℃。连铸坯拉坯速率≤1.0m/min，钢坯下线缓冷≥72h。

本发明各实施例的化学成分见表1，制备方法见表2，拉伸及横向冲击性能见表3。

表1本发明实施例钢化学成分(wt％)

表3本发明实施例钢板力学性能

由上可见，本发明得到的钢板的屈服强度≥690MPa，抗拉强度770-940MPa，延伸率≥16％，-80℃夏比冲击功≥70J，最大厚度60mm。

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。